基于eM-Plant的异型烟分拣系统仿真优化及应用

杨旭东，蒲睿强，徐明阳，胡渊富

（贵州大学机械工程学院，贵州 贵阳 550025）

1 引言

近年来，随着社会生产力不断发展，烟草市场中的个性化需求愈发凸显。小批量、多品种、高时效的订单不断增加。其中异型烟，尤其是细支烟，具有潜力大、市场需求大等特点，烟草工业企业已经将异型烟的发展放到十分重要的位置。长期以来，我国烟草配送中心由于异型烟的尺寸种类繁多，难以与标准烟一样实现全自动化分拣。在配送中心，分拣系统作业目前，拣选系统的优化研究往往向拣选设备的半自动化、自动化以及智能化方向发展，鉴于此类设备的投入成本较高、执行风险较大，都要求在系统重置之前对改进的系统进行仿真[1]。

针对这一问题，某公司研发了一套异型烟自动化分拣线，并对分拣线进行了系统仿真试验。针对根据离散事件系统的建模原则，采用eM-Plant 建模方法和SiMTalk统一建模语言相结合的建模手段，建立了该异型烟分拣系统各个环节的静态模型和动态模型。eM-Plant为一种面向制造业离散事件系统的建模软件，在汽车，航天，自动化立体仓等制造业领域已经有广泛的应用[2-4]。在设定系统仿真实例的参数时，主要考虑两部分参数，一部分是设施的运行参数，另一部分是的分析对象参数[5]。借助物流仿真软件，完成对烟草物流设计方案的评估，验证了异型烟分拣系统模型的可行性和实用性。

通过对仿真结果分析，发现该分拣作业的瓶颈环节，找出该分拣作业过程中存在的一些问题并提出了相应的改进建议。详细论述了全自动异型烟分拣系统的作业流程，利用仿真软件对系统内部的设备作业活动进行了深入分析。

2 系统架构及工作原理

2.1 机构组成

根据订单数据结构，利用补货小车将不同种类异型烟存放进入相对应立式分拣机与电子标签处，经过传感器识别无误后，立式分拣机构下落出来的异型烟经过多层传送皮带机进入到合单机构进行合单处理（根据订单结构，以相同订单号为单位通过合单机构），已合单处理卷烟在缓存皮带处等待与电子标签种类烟的再次合单处理，经条烟识别无误后各个订单进入码垛机构，利用码垛机器人将订单码为规则形状的烟垛，推烟机构将其送入裹膜机进行热收缩，最终将包装好的烟包顺序出来后经图像识别并自动贴标。异型烟分拣系统工艺布局，如图1所示。

图1 异型烟分拣系统布局侧视图Fig.1 Side View of Layout of Special Smoke Sorting System

2.2 控制系统及功能

整个异型烟分拣系统包括上位管理系统、分拣系统、打码系统、合单系统、包装系统、贴标系统。每个系统都又分为若干控制单元组成。其中上位管理系统每日从信息系统取得线路数据、卷烟数据、客户数据和订单数据，再将数据下发给订单分配系统，将数据进行分析优化，生成自动分拣作业计划。异型烟智能自动化分拣系统框图，如图2所示。

图2 分拣系统框架图Fig.2 Sorting System Framework

其工作过程为：客户订单数据进入上位管理系统，由系统拆分出合适码垛形状的新订单，传输实时数据至分拣系统顺序出烟，所走路线经过打码系统识别卷烟种类，到达合单系统，按照新订单排放序列进入包装系统中的码垛工作单元，堆垛完毕后经传送机构有序配合进入裹膜机构，裹膜完毕后经传送带进入贴标系统对客户订单完成贴标。

3 基于eM-Plant的异型烟分拣作业仿真模型

3.1 EIQ数据分析

EIQ规划方法是针对不确定和波动条件的配送中心系统的一种规划方法，即是订单件数Entry，货品种类Item和数量Quantity，从客户订单进行出货特性的分析。在订单出库资料的基础上，运用分布图及ABC等分析工具对品项数量、品项受订次数、订单量、出货量等的统计分析。得出规划设计的目标值，即入出库设备形式选择及设备能力需求、仓储形式选择及设备能力需求。通过现场的数据采集，模拟不同类型的客户提交不同的产品订单，得到的部分数据分析，如图3所示。

图3 EIQ数据分析Fig.3 EIQ Data Analysis

3.2 仿真原型及目标

仿真针对某大型烟草配送中心，该中心区域拥有分拣平面和补货平面。该异型烟分拣系统位于分拣平面，含四层子线分拣处理模式；四层子线中含三条自动仓分拣处理子线，一层电子标签分拣处理子线。自动仓分拣子线下层（代号A）含立式侧推下落式烟仓60个，共计60个分拣处理烟仓；自动仓分拣子线上层（代号B）含立式侧推下落式烟仓50个，共计50个分拣处理烟仓；自动仓分拣子线上层（代号C）含立式侧推下落式烟仓50个，共计50个分拣处理烟仓。电子标签分拣处理子线（代号D）含82货位。全线能处理品项大于等于242个。包装机两台，利用刚性吸盘高效码垛，4组吸盘可以根据条烟宽度、厚度自动调整。高速柔性核数急机构两台，用于分拣合流、包装前段的核数识别。和双层、三层烟仓相比，四层子线分拣短烟仓排放长度，使烟仓排布更为集中，减小分拣线的占地面积，缩短补货路径。

本次仿真的目标是通过模拟现有设计方案，找出限制分拣效率的瓶颈，提升烟草分拣效率，为烟草配送中心的流程优化提供依据。

3.3 eM-Plant仿真建模

eM-Plant是Tecnomatix公司出品的eMPower软件工具，又称为SIMPLE++软件的面向对象的技术使得可以生成结构合理的层次模型，模型对系统外部和内部的供应链、生产资源和所有与生产和经营过程相关的环节上都给予了充分的考虑[6]。本次离散事件系统的包含事件调度法、活动扫描法及进程交互法三种仿真策略。此系统采用活动扫描法。活动扫描法中，仿真钟推进依据扫描最早事件，内部处理事件条件，用各成分时间元的最小值推进仿真时钟，按优先序执行激活实体的活动处理，使测试通过的事件得以发生改变系统状态[7]。此异型烟自动化分拣系统按作业性质的不同，从总体上可以分为几大功能区域，如分拣区、合单区、码垛区、包装区等。其中分拣区最能体现客户订单数据拆分优化的合理性，是验证已优化订单合理性的关键。合单区包含多层传送带汇总输送进码垛区域，应该遵循同步传送，数量平均的原则。码垛区的机械结构设计是限制异型烟分拣的关键结构。整个环节中，系统依据每个实体的属性来识别、调用进行操作。基于以上设计，对异型烟分拣系统内部实体元素定义，如表1所示。建立了异型烟分拣线模型图，如图4所示。

表1 实体元素定义Tab.1 Entity Element Definition

图4 分拣系统仿真模型Fig.4 Simulation Model of Sorting Line

4 仿真试验分析与方案优化

系统指标能力是否满足生产需求，主要是针对系统的一些关键节点以及容易出现瓶颈的环节的能力进行设计和校算。本系统为自动化异型卷烟一体分拣线，立式机分拣区的件烟补货采用了自动补货输送系统，电子标签分拣区的备货采用托盘直接人工备货，所以该系统的综合作业效率取决于件烟输送系统的输送、立式机分拣、合单机构、叠烟包装等设备的作业效率。

理论数学模型如下：

式中：T—时间，s；V—速度，m/s；D1—条烟间距，mm；D2—订单间距，mm；N—订单卷烟条数。

根据提供的销量数据分析，订单卷烟条数是13.8条，主线速度取0.9m/s，条烟间距300mm，订单间距600mm，合单系数0.8，作业有效系数0.8，综合分拣作业有效率80%。根据上表效率计算可得，三层子线实际综合分拣效率大于16000条/h。

通过对某烟草物流中心获得的实际销售数据进行仿真试验，模型仿真中取时间单位为ls，运行15×60×60=54000仿真时间单位，结果，如表2所示。仿真结果不能达到理论计算效率，说明某个环节存在最低约束。根据约束理论，系统产能取决于瓶颈环节的能力。对于生产型企业，假定瓶颈资源就是生产系统能力最薄弱的环节，即瓶颈设备[8]。从实现计划目标的角度出发，把凡是设备出现资源堵塞与等待的设备定位瓶颈资源。

表2 分拣效率统计表Tab.2 Statistical Table of Sorting Efficiency

四个机械手操作台存在等待和堵塞情况，说明其已超负荷运转，其生产能力已无法提高，成为制约系统产能提高的瓶颈环节，如图5、图6所示。

图5 机械手资源占用统计图Fig.5 Manipulator Resource Occupancy Statistics

图6 合单资源占用统计图Fig.6 Statistical Graph of Combined Resource Occupancy

经分析，立式分拣效率可以达到24892条/h，其分拣能力过剩而不是瓶颈。合单机构的设备负荷率接近80%，效率达到18824条/h。因此可以确定码垛机器人是系统瓶颈工位，故拟定改进方案：将四台码垛机器人的刚性吸盘换成柔性吸盘，由于异型烟存在高度差，刚性吸盘进行异型烟抓取是优先考虑四条烟的情况，然后考虑三条烟的情况，再其次考虑两条烟的情况，最后考虑一条烟的情况。通过激光测距传感器获取高度数据，以防超过高度的设定极限值，皮带上的高度差不能超过设定极限值，皮带上的第一条和第二条宽度之和、第三条和第四条宽度之和不能超过平台宽度的一半[9]。

机器人柔性吸盘中4组吸盘可以根据条烟宽度、厚度自动调整，每次码一层，效率倍增，无论条烟规格如何变化都能快速进行码垛，确保高效、可靠的码垛与包装。即改进系统是在原仿真系统中将码垛机器人的控制程序变为每次抓取四条异型烟，柔性吸盘、刚性吸盘，如图7、图8所示。改进后的系统模型的仿真对比结果，如图8所示。

图7 柔性、刚性吸盘结构Fig.7 Flexible and Rigid Sucker Structure

图8 分拣效率对比图Fig.8 Comparison Chart of Sorting Efficiency

下面分析改进方案的可行性：改进后平均效率由原来的14811条/h提高至16999条/小时，且合单机构满足分拣效率。改进后合单系统和码垛的资源统计效率都大大提高，分拣时间也显著减少。可见改进方案不仅消除了系统瓶颈，还有效提高了生产率。值得注意的是，改进后立式分拣机效率仍然为24892条/h，其分拣能力远远超出产能需求，体现为该工位存在较多空闲时间，可根据具体情况增加分拣层数，增加后续工序的资源利用率。这一点已经在实际生产中得到应用且被证明是可行的。

5 应用效果

研究了基于Tecnomatix Plant Simulation 平台的异型烟仿真建模方法，针对某烟草配送中心进行模型分析，重点研究了分拣系统中的分拣机构、合单机构、码垛机构，分别从系统分析，设备选取，参数设计，数据处理，流程优化等方面建立仿真模型，为生产线的装配提供有力的设计依据，减少了降低效率问题出现的可能性。结果表明，采用实际生产数据进行仿真，通过Tecnomatix Plant Simulation 建立的柔性吸盘码垛相较于老式刚性吸盘，码垛效率提高至15%，满足某市烟草物流中心的工作效率需求。验证了模型的可行性和准确性，具有一定的参考价值。